基于二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器及其制备方法。器件结构自上而下包括导电基底层、二维钙钛矿铁电薄膜层、PC61BM层和金属顶电极层，其中二维钙钛矿铁电薄膜为混合间隔阳离子的二维钙钛矿铁电薄膜，其分子式为(BDA)

【技术实现步骤摘要】
基于二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光电探测器
，具体地说是一种基于二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光电探测器是一种将光信号转换为电信号的器件，在国防、科技、生物传感等领域均有广泛的应用。传统光电探测器多基于无机半导体构建，在实际应用中仍面临着制备条件苛刻和需要外部供电等挑战。近年来，金属卤化物钙钛矿以其优异的性质在光电探测器领域引起广泛关注。尤其是基于R
‑
P相二维有机
‑
无机杂化钙钛矿薄膜的光电探测器因一价有机间隔阳离子的存在表现出较好的湿度稳定性，但也限制了器件的光电性能。D
‑
J相二维钙钛矿中因二价有机间隔阳离子的存在表现出较好的热稳定性和光电性能。但二价阳离子两端亲水的胺基使得其湿度稳定性降低。
[0003]光铁电体中因其自发铁电极化可以有效地分离光生载流子在自供电光探测方面表现出巨大的潜力。铁电体必然具有热释电特性，利用光照产生的热释电极化电荷调制p
‑
n结或肖特基结的界面能带结构，进而调控载流子的产生、分离、传输和复合过程，可实现高灵敏度、自供电的光电探测。
[0004]目前，基于混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器的研究尚未见报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器及其制备方法，本专利技术利用混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜的铁电/>‑
热释电光电子学效应，实现了快速、高灵敏的自驱动光探测，并呈现出较好的湿、热稳定性。
[0006]本专利技术是这样实现的：
[0007]本专利技术所提供的自驱动光电探测器是基于二维钙钛矿铁电薄膜/PC61BM异质结的自驱动紫外光电探测器。器件结构自上而下包括导电基底层、二维钙钛矿铁电薄膜层(光吸收层)、PC61BM层和金属顶电极层，其中二维钙钛矿铁电薄膜层为低缺陷的混合间隔阳离子的二维钙钛矿铁电薄膜，其分子式为(BDA)
x
(BA2)1‑
x
(EA)2Pb3Br
10
(0<x<1)，其中1,4
‑
丁二胺(BDA
2+
，通常用于D
‑
J相二维钙钛矿)和正丁胺(BA
+
，通常用于R
‑
P相二维钙钛矿)。二维钙钛矿铁电薄膜层通过加热旋涂的方式制备而成。
[0008]本专利技术利用混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜的铁电
‑
热释电光电子学效应，实现了快速、高灵敏的自驱动光探测，并呈现出较好的湿、热稳定性。通过本专利技术可以解决现有技术中基于二维钙钛矿光电探测器依赖外部供电以及稳定性差的问题，具有实际应用于紫外光电光探测的潜力。
[0009]本专利技术中混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜与PC61BM构成异质结，具体制备过程如下：
[0010]1)配制钙钛矿前驱体溶液：根据下表溶质配比，溶剂DMF:DMSO体积比4:1配制(BDA)(EA)2Pb3Br
10
和BA2(EA)2Pb3Br
10
钙钛矿溶液。然后将两种钙钛矿溶液按照体积比混合配制(BDA)
x
(BA2)1‑
x
(EA)2Pb3Br
10
(0<x<1)钙钛矿前驱体溶液。
[0011][0012]2)混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜的制备：将1
×
1cm2‑5×
5cm2的导电基底固定在加热旋涂仪上，加热到50
‑
80℃并保持不变，取25
‑
50μL混合钙钛矿前驱体溶液滴加到导电基底上，以2000
‑
4000rpm的转速旋涂10
‑
50s，接着60
‑
100℃退火5
‑
20min，得到低缺陷、高稳定性的二维钙钛矿铁电薄膜。
[0013]3)将10
‑
50mg的PC61BM溶解在1mL的氯苯中，然后旋涂到低缺陷、高稳定性的二维钙钛矿铁电薄膜上，得到二维钙钛矿铁电薄膜/PC61BM异质结。
[0014]4)蒸镀金属顶电极层。
[0015]优选的方案，所述二维钙钛矿铁电薄膜的厚度为250
‑
300nm。
[0016]优选的方案，所述MAAc的纯度不低于99.99％。
[0017]优选的方案，所述(BDA)(EA)2Pb3Br
10
和BA2(EA)2Pb3Br
10
钙钛矿溶液的最优体积比为7：3(即x＝0.7)。
[0018]优选的方案，沉积金属电极层的速度为金属顶电极层的厚度为50
‑
150nm。
[0019]优选的方案，所述的金属顶电极层采用Bi(20nm)/Ag(100nm)电极。
[0020]优选的方案，导电基底为ITO刚性衬底。ITO刚性衬底需先进行预处理，具体是：将ITO刚性衬底在0.4wt％的PEIE水溶液中充分浸泡1min，接着在去离子水中洗3s，最后在100℃下热退火10min，以提高基底对钙钛矿薄膜的浸润性。
[0021]本专利技术提出了一种基于混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器，其制备工艺简单，仅需要化学合成等简单方法即可得到铁电薄膜。本专利技术通过构建基于混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜光电探测器，利用混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜的铁电
‑
热释电光电子学效应，实现快速、高灵敏的自驱动紫外光探测。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
[0023]1、本专利技术制备的混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜，由扫描电子显微镜图(SEM)和X射线衍射图谱(XRD)可知，该薄膜表面均匀无针孔，且具有较高的结晶质量。同时该薄膜通过加热旋涂的方法一步制备而成，简化了制备工艺。
[0024]2、本专利技术利用制备的混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜的铁电
‑
热释电光电子学效应，实现自驱动紫外光探测。核心在于：在施加偏压为零偏压的情况下，在黑暗条件下，混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜沿法向自发极化在钙钛矿与导电基底界面产生负极化电荷，在p
‑
n结界面产生正极化电荷。相应地，导电基底和PC61BM中会产生相反的自由电
荷。当激光照射时，产生光生载流子，并被p
‑
n结和铁电诱导的内置电场分离，产生光电流。此外，由于热振动的增加，光引起的温升会扰乱混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜中电偶极子的随机振荡状态，导致铁电极化电荷减少。因此，自由电荷流将产生正输出热释电电流。这个正电流被定义为热释电+光电流。当温度不变时，热释电电流消失，只留下稳定的光电流平台。当激光关闭时，光电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器，其特征是，自下而上依次包括导电基底层、二维钙钛矿铁电薄膜层、PC61BM层和金属顶电极层；二维钙钛矿铁电薄膜是混合间隔阳离子二维钙钛矿铁电薄膜，其分子式为(BDA)
x
(BA2)1‑
x
(EA)2Pb3Br
10
，其中，0<x<1，BDA为1,4
‑
丁二胺，BA为正丁胺，EA为乙二胺。2.根据权利要求1所述的基于二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器，其特征是，x取值为0.6
‑
0.7。3.根据权利要求1所述的基于二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器，其特征是，所述二维钙钛矿铁电薄膜层是通过加热旋涂钙钛矿前驱体溶液制备而成；钙钛矿前驱体溶液由(BDA)(EA)2Pb3Br
10
溶液和BA2(EA)2Pb3Br
10
溶液混合而成。4.一种基于二维钙钛矿铁电薄膜的自驱动光电探测器的制备方法，其特征是，包括如下步骤：a、对导电基底进行预处理；b、配制钙钛矿前驱体溶液：将(BDA)(EA)2Pb3Br
10
溶液加入到BA2(EA)2Pb3Br
10
溶液中，得到(BDA)
x
(BA2)1‑
x
(EA)2Pb3Br
10
钙钛矿前驱体溶液；(BDA)(EA)2Pb3Br
10
溶液占(BDA)
x
(BA2)1‑
x
(EA)2Pb3Br
10
钙钛矿前驱体溶液的体积比为x；BDA为1,4
‑
丁二胺，BA为正丁胺，EA为乙二胺；c、二维钙钛矿铁电薄膜的制备：将预处理后的导电基底固定在加热旋涂仪上，加热到50
‑
8...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨政，郭林娟，王淑芳，齐雅倩，闫国英，高琳洁，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：